昨晚，華大基因董事長汪建向新智元介紹：

　　個人工再造真核生體已經(jīng)在華大基因及其合作伙伴的實驗室里實現(xiàn)了。合成生物學(xué)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設(shè)計合成為標(biāo)志的又一次突破。實現(xiàn)了基因組“讀與寫”的貫穿。該計劃由美國發(fā)起，工作由中、美、英、法等多國共同協(xié)作承擔(dān)，重新設(shè)計并化學(xué)合成真核生物釀酒酵母的全部16條染色體（1400 萬個堿基，大小約為人體基因組的5%）。

　　該項目已完成 5 條染色體的重新設(shè)計與合成， 其中，來自華大基因、天津大學(xué)、清華大學(xué)的中國科學(xué)家完成 4 條，占完成量的 66.7%。華大基因主導(dǎo)了二號染色體的設(shè)計與合成，在全項目中華大貢獻(xiàn)占中國工作量的 54.7%，開發(fā)系列核心技術(shù)成為整個項目的關(guān)鍵基礎(chǔ)）。合成基因成功導(dǎo)入酵母細(xì)胞。人工菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生活性。預(yù)示著人工合成在生物制造，包括醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的無限前景，也為生再造帶來無限可能，也使得基因庫的存、讀、寫功能得到*體現(xiàn)。

　　Science 封面專題：人類在理解生的探索中實現(xiàn)重大突破

　　在1996年，釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）被合成，釀酒酵母約有 12000 個堿基對，分為 16個染色體的序列，這在當(dāng)時是一項重大的突破。

　　16個酵母染色體的bioprint。將摻入特定色素基因的酵母印在瓊脂平板上，酵母生長后就得到了這樣的圖像。上圖圖像凸顯了合成染色體（黃色）和wild-type（藍(lán)色）酵母染色體的生成。來源：Science

　　現(xiàn)在，大約 20 年后，合成酵母基因組計劃（Sc2.0）拿出了成果，研究人員合成了 5 個新的酵母染色體。這項成果讓 Sc2.0 的終目標(biāo)——重新設(shè)計所有的 16 個酵母染色體，創(chuàng)建完全合成的真核基因組——大大往前推進(jìn)了一步。

　　今天，《科學(xué)》以封面專題的形式，將研究人員開發(fā)、設(shè)計、構(gòu)造、測試和 curation 原則相關(guān)的進(jìn)展報道了出來，所有這些技巧都可以擴(kuò)展用于研究其他更大的基因組。

　　基因組總是處于不斷變化的狀態(tài)中：它們很容易缺失、復(fù)制和插入；一直在重組和重排；也容易遭受由自體遺傳元件如轉(zhuǎn)座元件的侵入和破壞。 這些許多的變化都受自然選擇的影響，導(dǎo)致基因組的組織構(gòu)成不是基于效率或空間經(jīng)濟(jì)原理，而是取決于生物體的演化歷程。

　　為完成設(shè)計和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組，科學(xué)界發(fā)起了釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0計劃），這是合成基因組學(xué)（Synthetic genomics）研究的標(biāo)志性合作項目。該項目由美國科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構(gòu)參與并分工協(xié)作，試圖重新設(shè)計并合成釀酒酵母的全部16條染色體（長約12Mb，1Mb是百萬堿基對）。

　　Sc2.0 致力于解開釀酒酵母的基因組排序——釀酒酵母的基因組是所有真核基因組當(dāng)中，被人類研究得為完善的基因組。除了揭開基因組的排序的秘密，Sc2.0 還致力于將合成基因組的這一過程流程化（streamline），并且將基因組重組。

　　研究人員的終目標(biāo)，是刪除所有轉(zhuǎn)座子和重復(fù)元素，重新編碼 UAG 終止密碼子，并將轉(zhuǎn)移 RNA 基因移動到新的染色體而不導(dǎo)致健康缺陷，同時增加功能，輔助染色體的構(gòu)建和*控。

　　當(dāng) Sc2.0 完成時，終的合成酵母菌株，將是我們?nèi)祟悓φ婧嘶蚪M理解的另一座里程碑。

　　《人民日報》評價：“”，多項核心技術(shù)突破

　　針對這一成果，《人民日報》也在時間進(jìn)行了報道，并使用了“”一詞來形容相關(guān)工作的影響及意義。

　　這次《科學(xué)》雜志上名為“重構(gòu)酵母基因組Sc2.0”的?？?，一共刊發(fā)了中國科學(xué)家的 4 篇研究長文。實現(xiàn)了生物合成研究的新突破：完成了 4 條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設(shè)計與化學(xué)合成——釀酒酵母總共有16條染色體，此前研究團(tuán)隊奮斗了多年，才發(fā)現(xiàn)了 1 條。

　　根據(jù)《人民日報》的報道：在合成染色體的過程中，中國的科學(xué)家還突破了生物合成方面的多項關(guān)鍵核心技術(shù)，比如：突破合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，設(shè)計構(gòu)建染色體成環(huán)疾病模型，開發(fā)長染色體分級組裝策略，證明人工設(shè)計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性，等等。這些技術(shù)將幫助在全的生科學(xué)研究和相關(guān)實際應(yīng)用中大顯身手，其價值不可估量。

　　《人民日報》說，國內(nèi)外同行指出，這是繼合成原核生物染色體之后的又一里程碑式突破，有望開啟人類“設(shè)計生、再造生和重塑生”的新紀(jì)元。

中國科學(xué)家代表，自左右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進(jìn)、沈玥。來源：趙永新攝/人民日報

　　人工合成酵母染色體，意義何在？

　　曾參與人類基因組測序計劃的華大基因理事長楊煥明院士對《人民日報》介紹說，合成生物學(xué)（Synthetic Biology）是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設(shè)計合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)。

　　楊煥明院士指出，生物學(xué)界內(nèi)重要的分類依據(jù)，既不是植物和動物，也不是多細(xì)胞和單細(xì)胞生物，而是以原核生物和真核生物來區(qū)分?！凹?xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單，而動物、植物、真菌等真核生物的基因（DNA）既豐富又復(fù)雜，通常會包含數(shù)億甚數(shù)十億堿基對信息。同時，作為遺傳物質(zhì)的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細(xì)胞核的特定區(qū)域。所以，合成一個真核生物的基因組是一項*艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學(xué)真正做到引領(lǐng)技術(shù)，合成真核生物基因組技術(shù)必將發(fā)揮*核心的作用?！?

　　天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)是早參與該計劃的中國科學(xué)家，此次在《科學(xué)》期刊上以通訊作者身份發(fā)表了 2 篇論文。他告訴《人民日報》，與科學(xué)實驗中經(jīng)常使用的果蠅、斑馬魚一樣，釀酒酵母是生物學(xué)研究中的“模式真核單細(xì)胞生物”。

　　“如果說病毒基因組的合成開啟了基因組化學(xué)合成研究，那么原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破，則初步實現(xiàn)了化學(xué)全合成基因組對單細(xì)胞原核生物和真核生物的生調(diào)控?！搬劸平湍甘莻€被全基因組測序的真核生物，大尺度的設(shè)計和重建酵母基因組是對目前酵母領(lǐng)域知識貯備的真實性、完整性和準(zhǔn)確性的一個直接考驗。化學(xué)合成酵母，一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，使酵母實現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株。”

　　在釀酒酵母設(shè)計與合成研究中，中國已由‘跟跑’轉(zhuǎn)為‘并跑’，今后更有望‘領(lǐng)跑’

　　2014年，Sc2.0已創(chuàng)建了一個單一的人工酵母染色體。此次合作，中外科學(xué)家共完成了 5 條染色體的化學(xué)合成，其中中國科學(xué)家完成了 4 條，占完成數(shù)量的 66.7%，把 Sc2.0計劃向前推進(jìn)了一大步。

　　人民日報客戶端記者趙永新，在他《4 篇論文齊上<科學(xué)>封面，開啟“再造生”新紀(jì)元》的文章里，對這項成果做了完備的報道。新智元現(xiàn)節(jié)選文章內(nèi)容如下。

　　由天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因分別完成的這4篇長文，介紹了生物合成研究的新突破。

　　其中，元英進(jìn)帶領(lǐng)的天津大學(xué)團(tuán)隊完成了5號、10號（synV、synX）染色體的化學(xué)合成，并開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點定位技術(shù)和染色體點突變修復(fù)技術(shù)；戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學(xué)團(tuán)隊完成了當(dāng)前已合成染色體中長的12號染色體（synXII）的全合成；深圳華大基因研究院團(tuán)隊聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊完成了2號染色體（synII）的合成及深度基因型-表型關(guān)聯(lián)分析。

　　“人工合成基因組的尺度和復(fù)雜度的不斷，向科學(xué)界對生物體運作方式以及生本質(zhì)的認(rèn)知提出了越來越大的挑戰(zhàn)。在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，是定位人工基因組中影響細(xì)胞長勢的序列，即缺陷（bug）。常規(guī)的排除缺陷（debugging）的方法有三種，都有費時耗力、效率不高的缺點?！痹⑦M(jìn)團(tuán)隊成員、“10號染色體”文章作者、天津大學(xué)博士生吳毅介紹說：在合成長達(dá)770kb（kb：千堿基對）的釀酒酵母10號染色體的過程中，我們創(chuàng)建了基因組缺陷靶點快速定位與修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生活性，能夠成功調(diào)控酵母的生長，并具備各種環(huán)境響應(yīng)能力。此方法在化學(xué)合成基因組研究中具有普適性，并且作為一種新穎的表型和基因組關(guān)聯(lián)性分析的策略，有望顯著我們對基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知?！?    

　　“5號染色體”文章作者、天津大學(xué)博士生謝澤雄說，在推進(jìn)Sc2.0計劃的過程中，我們建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)修復(fù)技術(shù)，解決了超長人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題。同時，我們首次實現(xiàn)了真核人工基因組化學(xué)合成序列與設(shè)計序列的完全匹配，系統(tǒng)性支撐與評價了當(dāng)前真核生物的設(shè)計原則。該技術(shù)的突破為研究人工設(shè)計基因組的重新設(shè)計、功能驗證與技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。利用化學(xué)合成的酵母5號染色體定制化建立了一組環(huán)形染色體模型，通過人工基因組中設(shè)計的特異性水印標(biāo)簽實現(xiàn)對細(xì)胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當(dāng)前無法治療的環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等發(fā)生機理和潛在治療手段提供了了研究模型。此外，我們發(fā)展了多級模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化基因組合成方法，創(chuàng)建了一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準(zhǔn)合成?！?

　　清華大學(xué)的戴俊彪團(tuán)隊，則設(shè)計合成了12號染色體。在研究中，他們開發(fā)了長染色體分級組裝的策略，即：首先通過大片段合成序列，在6個菌株中分別完成了對染色體不同區(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換；然后利用酵母減數(shù)分裂過程中同源重組的特性，將多個菌株中的合成序列進(jìn)行合并，獲得完整的合成型染色體。針對12號染色體上存在的高度重復(fù)的核糖體RNA編碼基因簇進(jìn)行刪除及工程化改造，并利用修改后的重復(fù)單元在基因組多個位點重建了核糖體RNA編碼基因簇。“該工作奠定了未來對其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計與編寫的基礎(chǔ)，同時也證明了酵母基因組中rDNA（核糖體DNA）區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。”戴俊彪表示。

　　深圳華大基因研究院與英國愛丁堡大學(xué)共同完成2號染色體的從頭設(shè)計與全合成（長770 Kb），合成酵母菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生活性。該論文的作者、深圳基因庫合成與編輯平臺負(fù)責(zé)人沈玥介紹說，科研人員使用“貫穿組學(xué)（Trans-Omics）”方法，從表型、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組五個層次系統(tǒng)地進(jìn)行基因型-表現(xiàn)型的深度關(guān)聯(lián)分析，證明了人工設(shè)計合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性?！?

　　令人欣喜的是，華大基因與愛丁堡大學(xué)合成的酵母菌株，不僅與野生型有高度相似的生活性，而且對環(huán)境的適應(yīng)性大大加強，其進(jìn)化速度呈幾何級提高。在接受《人民日報》采訪時，楊煥明這樣說——

　　“2000年公布的人類基因組測序，中國只承擔(dān)了百分之一的工作，這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一，可以說是中國在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得的突破性成果，進(jìn)一步奠定了我國在這一領(lǐng)域的地位?！睏顭髡f，“兩相比較，不難看出我們在生科學(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。在釀酒酵母設(shè)計與合成研究中，我們已由‘跟跑’轉(zhuǎn)為‘并跑’，今后‘領(lǐng)跑’也不是不可能。”

　　Science 論文介紹：中國研究者已經(jīng)從“跟跑”轉(zhuǎn)為“并跑”

　　后，新智元為讀者介紹發(fā)表在 Science 的相關(guān)論文。

　　從下圖中可見，Science 專題一共刊發(fā)了 7 篇論文。實際上，所有 7 篇論文都有華人研究者參與。

下面，新智元在這里介紹其中的 5 篇。

　　將一段組裝的物理序列與一段特殊設(shè)計的序列*配對對于基因組合成中設(shè)計原則的檢驗關(guān)重要。我們在“Build-A-Genome China”項目中，設(shè)計并且在實驗室里合成了有536024堿基對的染色體synV，與設(shè)計的序列*配對。我們校正了synV的初始分離以完全匹配設(shè)計的序列，該序列使用整合共轉(zhuǎn)化和聚簇定期間隔短回文重復(fù)（CRISPR）/ CRISPR相關(guān)蛋白9（Cas9） - 介導(dǎo)，編輯共22步； 與野生型V菌株相比，synV菌株在各種培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出高適應(yīng)性 。我們構(gòu)建了環(huán)synV衍生物，在釀酒酵母中，它在所有測試條件下功能都很完整的，并且在減數(shù)分裂期間表現(xiàn)出較低的孢子活力。 環(huán)synV染色體可以擴(kuò)展Sc2.0設(shè)計原理，并提供了用于研究基因組重排、環(huán)染色體進(jìn)化和人環(huán)染色體疾病的模型。

　　這篇論文提出了770千堿基對合成酵母染色體II（synII）的成功設(shè)計、構(gòu)建和表征。 我們的研究結(jié)合了多個層次的表征，包括表型、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、染色體分離和復(fù)制分析，以提供合成染色體的一個徹底的分析。 我們的跨組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在synII中觀察到了一個翻譯機制的適度但潛在相關(guān)的普遍上調(diào)，這主要由13個轉(zhuǎn)移RNA的缺失引起。 通過互補測定和SCRaMbLE（合成染色體重排和由loxP介導(dǎo)的演變修改），在甘油培養(yǎng)基中，我們在溫度為37℃的條件下定位和調(diào)試生長缺陷的起源，這與高同滲容摩甘油反應(yīng)的錯誤調(diào)節(jié)有關(guān)。 盡管有微妙的差異，和天然菌株相比，synII菌株顯示了高度連貫的生物過程 。

　　調(diào)試基因組序列是成功構(gòu)建合成基因組的必要條件。作為構(gòu)建一個設(shè)計出的真核基因組（designer eukaryotic genome）努力的一部分，研究人員使用化學(xué)方法，合成了有707459個堿基對的酵母合成染色體X（synX）。 SynX在各種條件下表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。我們開發(fā)了稱為池PCRTag映射（PoPM）的高效映射策略，其可以推廣到水印合成染色體，以鑒定影響細(xì)胞適應(yīng)性的遺傳改變（“bug”）。我們糾正了一系列的錯誤，包括具有復(fù)雜擴(kuò)增的大區(qū)域，映射到FIP1中重編碼序列的生長缺陷和影響ATP2的啟動子功能的loxPsym位點。 PoPM是合成酵母基因組調(diào)試的強大工具，也是表型基因型映射的有效策略。

　　我們設(shè)計并合成基于釀酒酵母中天然染色體 XII 的線性染色體synXII，synXII 含有 976067 個堿基對。SynXII 的合成經(jīng)過了兩步，也即 megachunk 整合和減數(shù)分裂重組介導(dǎo)的重組，成功制作出能夠正常運作的染色體。通過引入單個 tRNA 基因的異位拷貝，彌補在synXII中到的由tRNA基因缺失引起的微小的生長缺陷。synXII上的核糖體基因簇（rDNA）在組裝過程中保持完整，隨后再被修飾過 rDNA 替代，后者用于在三個不同染色體位置重成 rDNA。

　　盡管合成酵母基因組Sc2.0的設(shè)計相對于基因含量來說是*保守的，但是幾種類別的重復(fù)序列的缺失和數(shù)千種設(shè)計者改變的引入可能影響基因組組織并可能改變細(xì)胞功能。 我們在這篇論文里報告了Hi-C-determined的三維（3D）Sc2.0染色體的構(gòu)象。重復(fù)的缺失導(dǎo)致了更平滑的接觸模式和更地易處理的染色體構(gòu)象，而大規(guī)?；蚪M組織在全局上不受合成染色體的存在的影響。 有兩個例外，一是synIII，它缺乏沉默的交配型盒（silent mating-type cassettes）；二是synXII，特別是當(dāng)核糖體DNA被移動到另一個染色體時。 我們還利用接觸圖來在SCRaMbLE菌株引發(fā)的重排（合成染色體重排和由loxP介導(dǎo)進(jìn)化的修改） 。

　　值得一提，相關(guān)論文雖然沒有公開發(fā)表，但 Science 在其“Structured Abstract”當(dāng)中，將論文的摘要、背景、方法以及結(jié)論都介紹了出來，便于關(guān)注這一成果的非人士了解詳情。大家可以去 Science 官網(wǎng)查閱。